آکادمي ملي علوم آمريکا (1974)
چکيده
عوامل بسياري، حرکات دمامحور در يک ساختمان را تحت تاثير قرار مي دهند و شدت خرابي هاي ايجاد شده در اثر اين حرکات را تعيين مي کنند. از جمله ي اين عوامل، درزهاي انبساط هستند که حرکت آزاد را براي المان هاي ساختمان تا حدودي ممکن مي سازند. از اين رو، تعيين نياز ساختمان به درز انبساط و همچنين تعيين خصوصيات اين درز در صورت نياز، از مسائل ناگزير در آناليز ساختمان ها مي باشد.
در اين گزارش، با معرفي روش هاي تحليلي و تجربي براي تحليل نياز ساختمان به درز انبساط، به خواننده اين امکان داده مي شود که به عنوان بخشي از آناليز ساختمان، نياز به درز انبساط را نيز بررسي کند.
مقدمه
ساختمان فرآورده اي پوياست و تحت تأثير شرايط بارگذاري هاي مختلف مي باشد که اجزا و المان هاي آن را تحت تنش، کرنش و تغيير مکان دائمي قرار مي دهند. در هنگامي طراحي بايد تغيير مکان را به گونه اي در نظر گرفت و حتي در صورت نياز آن را کنترل کرد که ساختمان در طول دوره اي که از آن انتظار مي رود، بدون نياز به تعميرات اساسي قابل بهره برداري باشد.
به نظر مي رسد تعيينِ اين که ساختمان به درزهاي انبساطِ گرمايي نياز دارد يا ندارد، بايد به عنوان بخشي از آناليزِ سازه ايِ يک ساختمان در نظر گرفته شود و بايد به اثرِ بالقوه اي تغييرات ابعادي افقي بر يکپارچگي سازه و خدمت رساني ساختمان، توجهي ويژه معطوف گردد.
در اين گزارش، تنها تغيير مکان هاي افقي و درزهاي انبساطي که در اين راستا تعبيه مي شوند، مدنظر هستند و مسائل ديگر، مانند تغيير مکان هاي عمودي قابل سازه، افت بتن، نشست هاي جزئي فونداسيون و ... ديده نشده اند.
ابعاد و شکل ساختمان، تغييرات دما، ضوابط کنترل دما، نوع قاب، نوع اتصال به فونداسيون و تقارن سختي در برابر تغيير مکان جانبي و مصالح ساخت و ساز، از مهم ترين عواملي هستند که در طراحي و مکان يابي درزهاي انبساط بايد مورد توجه واقع شوند.
معيار تعيين نياز ساختمان به درزهاي انبساطي
نياز به درزهاي انبساط گرمايي در ساختمان ها، در وهله ي اول مي تواند با استفاده از پايه هاي تجربي تعيين گردد. در صورتي که طراح تشخيص دهد که نتايج بسيار محافظه کارانه اند يا روش تجربي براي نوع ساختمان در دست بررسي، کارآمدي کافي را ندارد، آناليزِ دقيق تري بايد انجام پذيرد.
محاسبه ي تغييرات دماي طراحي
مقادير دماي متوسط
بايد فقط بر پايه ي فصل ساخت و ساز تعيين گردد؛ دوره ي به هم پيوسته اي از سال که در آن کم ترين دماي روزانه بالاي
باشد.
حد دمايي را که به طور متوسط فقط 1 درصد از زمان در طول ماه هاي تابستان (ژوئن تا سپتامبر) دماي هوا در محل ساختمان از آن بالاتر مي رود را به عنوان «حد دماي بالاي قابل پيش بيني»
و حد دمايي را که به طور متوسط 99 درصد از زمان در طول ماه هاي زمستان (دسامبر تا فوريه) دماي هوا در محل ساختمان از آن بالاتر مي رود يا با آن مساوي است، به عنوان «حد دماي پايين قابل پيش بيني»
مي توان در نظر گرفت.
روش تجربي
در اين روش، براي ساختمان هايي که ساختار تير – ستون يا دال – ستون دارند، طول حداکثر ساختمان بدون درز انبساط بايد از روي شکل (1) و بر اساس تغييرات دماي طراحي
در محل ساختمان تعيين گردد.
در ساختمان هايي که به طور ممتد با مصالح غير مسلح بنايي نگه داري مي شوند، درزهاي انبساط بايد در فواصل کم تر از 60 متر در نظر گرفته شوند.
اين شکل ها بر اين فرض استوار هستند که حداکثر بعد مجاز ساختمان ها، تابعي از دو پارامتر مي باشند:
1. بيش ترين اختلاف ميان دماي متوسط سالانه در مکان ساختمان و حداکثر يا حداقل دماي مورد انتظار،
2. ضوابط کنترل دما براي ساختمان مورد نظر
پارامتر اول باعث تغييرات ابعادي مي شود، در حالي که پارامتر دوم توانايي ساختمان براي ميرا کردن را منعکس مي کند و بنابر آن، جديت اثر تغييرات دماي بيرون را کاهش مي دهد. منحني هاي مربوط به ساختمان گرم شده و گرمازدايي شده (شکل 2) مربوط به طول مجاز حداکثر ساختمان که بدون درز انبساط اجرا مي شود، بر حسب تغييرات دماي طراحي به شکل يک تابع پله اي قابل ارائه هستند.
اين منحني ها مي توانند براي ساختمان هاي با سازه اي قاب، ساختمان هايي که در تکيه گاه مفصلي هستند و تيرهاي گرم شده ي مياني به کار روند. براي شرايط ديگر، قوانين زير قابل اجرا هستند:
آ) هنگامي که ساختمان فقط گرم مي شود و پايه هاي ستون مفصلي ست، طول مجاز را به صورتي که تعيين شده، استفاده کنيد.
ب) اگر ساختمان همان طوري که گرم مي شود، تهويه ي مطبوع هم مي گردد، طول مجاز را 15 درصد افزايش دهيد (اطمينان حاصل کنيد که سامانه ي کنترل محيط به طور ممتد در حال کار کردن است).
پ) اگر ساختمان گرمازايي مي شود، طول مجاز را 33 درصد کاهش دهيد.
ت) اگر ساختمان تکيه گاه هاي صلب دارد، طول مجاز را 15 درصد کاهش دهيد.
ث) اگر ساختمان اختلاف سختي قابل ملاحظه اي در مقابل تغيير مکان جانبي در دو انتهاي بعد پلان خود دارد، طول مجاز را 25 درصد کاهش دهيد.
در مواردي که بيش تر از يکي از اين شرايط در طراحي يک ساختمان مشاهده مي شود، بايد درصدهاي مربوط به هر شرط با هم جمع جبري شده و به طول مجاز اعمال گردد.
به نظر مي رسد محدوده هاي 600 و 200 فوت در ابعاد طولي ساختمان ها، منعکس کننده ي تجربيات بلند مدت مهندسي باشد. در نتيجه، بدون هيچ قضاوت عملي يا تئوري ديگري، در اين جا به عنوان مقادير مرزي استفاده مي شوند.
چنان که از نمودار مشخص است، براي مقادير نسبتاً کوچک تغييرات دما
) حداکثر طول مجاز، قابل قبول مي باشد.
همچنين، با توجه به تحقيقات گذشته موارد زير قابل توجه هستند:
1. تأخير زماني قابل ملاحظه اي (2 تا 12 ساعت) ميان حداکثر تغيير طول يک ساختمان با دماي حداکثر پيرامون که با اين تغيير طول مربوط است، وجود دارد. بررسي ها نشان مي دهد که تأخير زماني به گراديان دما ميان دماي بيرون و دماي داخل ساختمان، مقاومت در برابر انتقال تغييرات دما (عايق بندي) و طول زماني که دماي بيرون در ترازهاي حداکثر خود باقي مي ماند، بستگي دارد.
2. تغييرات حداکثر دما و بعد ماکزيمم يک ساختمان، تنها پارامترهاي تاثيرگذار بر گستره ي تغيير ابعاد ساختمان نيستند.
براي مثال، به نظر مي رسد که ضرايب موثر انبساط گرمايي از يک ساختمان به ساختمان ديگر و همين طور داخل يک ساختمان بسيار متنوع اند.
3. ضريب موثر انبساط گرمايي تراز طبقه ي اول تقريباً يک سوم تا دو سوم طبقات بالاتر مي باشد.
4. در بيش تر موارد، تغييرات ابعاد هر ساختمان در بالاترين تراز به ضريب موثر انبساط گرمايي که مقدار بين 2 و 5 بر ميليون درجه ي فارنهايت مي باشد، وابسته است. با تخصيص دادن مقادير 3/3 براي آجر، 5/5 براي بتن و 6 براي فولاد و همچنين اطمينان کم از صحت فرضيات استفاده شده در ارزيابي تغييرات دما که فاصله ي 2 تا 5 بر مبناي آن استخراج شده است، به نظر مي رسد که بررسي ها تأييد مي کنند که ترازهاي بالاتر ساختمان تحت اثر تغييرات ابعادي مربوط به ضريب انبساط گرمايي ماده ي اصلي که هر تراز از آن ساخته شده است، قرار دارند.
روش تحليلي
دشواري دسته بندي شکل هاي ممکن ساختمان و پيچيدگي الگوهاي تنش – کرنش که اثرات تغييرات دمايي در ساختمان هاي غيرمستطيلي ايجاد مي کند، تشخيص نياز به درز انبساط بر پايه ي روش تجربي را مشکل يا ناشدني مي سازد. همچنين، ممکن است طراح بخواهد طول ساختمان را بدون درز انبساط از حدودي که روش تجربي معين مي کند (به گونه اي که در بالا توضيح داده شد) بالاتر ببرد. بنابراين، نياز به آناليزي دارد تا مفاهيم زير و روشهاي طراحي سازه در آن هماهنگ باشند.
تغيير دماي يکنواخت طراحي
محاسبه ي تغييرات دماي طراحي براي ساختمان هاي گرم شده يا داراي تهويه، بايد شامل يک ضريب تجربي حداقل باشد تا تغييرات دماي حداکثر را که ساختمان در معرض آن ها قرار مي گيرد، کاهش دهد و در عين حال، همه ي اثر کنترل دماي دروني را نيز در نظر نگيرد. در غياب اطلاعاتي که از نظر تکنيکي دقيق باشند و طور ديگري نتيجه بدهند، مقدار تغيير دماي يکنواخت طراحي،
به طور رضايت بخشي با در نظر گرفتن
هر کدام که بزرگ تر باشد، قابل تعيين است و همچنين،
براي ساختمان هايي که کنترل دما ندارند،
براي ساختمان هاي گرم شده ولي بدون تهويه،
براي ساختمان هاي گرم شده و داراي تهويه.
روش هاي پيشنهادي براي طراحي ساختمان ها در برابر تغييرات گرمايي
مانند بسياري از مشکلات سازه اي، بررسي اثرات گرمايي بر يک ساختمان به يک درک پايه از نيروها و تغيير شکل هاي توزيع شده در سازه محدود شده است. اگر تغيير شکل ها کاملاً مهار شوند، نيروهاي به وجود آمده در اعضاي سازه اي ممکن است از مقاومت اعضا بالاتر روند و باعث شکست سازه اي گردند. در صورت مهار نشدن هم تغييرات هندسه ي سازه ممکن است عملکرد کلي آن را تحت تاثير قرار دهد.
- مقادير C کم تر از واحد بر فرش اين که سامانه هاي کنترل محيط در ساختمان هاي به طور ممتد فعال باشند، استوار است. پس در صورتي که پيش بيني شود دستگاه هاي کنترل محيط در فواصل منظمي براي يک د وره ي زماني (2 روز يا بيش تر) خاموش مي شوند، مقادير کم تر از C قابل استفاده نيستند. هر گونه انحراف از اين مقادير بايد از لحاظ عددي ثابت گردد.
پس وظيفه ي طراحي اين است که يکي از سه راه گسترده ي اساسي زير را انتخاب کند:
1. محدود کردن پتانسيل تغيير شکل در سازه (بدون اين که به شکست منجر شود) توسط طراحي اعضاي مناسب که به طور اساسي مقاوم و سخت شوند.
2. آزاد کردن حرکات پايه ي اعضاي سازه اي ساختمان و اجزاي غير سازه اي، به گونه اي که عملکرد نهايي سازه تحت اثر معکوس قرار نگيرد. چنين سازه اي عملاً به مقاومت اضافه ي اعضا براي تحمل اثرات گرما نياز ندارد.
3. ايجاد حالتي ميان ظرفيت تحمل تنش و توانايي تحمل تغيير شکل، بدون آن که عملکرد سازه قرباني شود.
راه حل نخست، براي ساختمان هاي بيش تر از دو طبقه کاملاً ناشدني ست. سخت کردن و مقاوم کردن طبقات پايين فقط اثرات مضر گرما را به طبقات بالا منتقل مي کند و بنابراين، طبقات بالاتر به جاي زمين بر يک پايه ي صلب مصنوعي قرار خواهند داشت. بر عکس اين روش براي ساخمان هاي کوتاه و طويل با مصالح بنايي و جرم زياد که مقاومت کمي در برابر حرکت دارند، روش اصلي خواهد بود. قالب هاي سازه اي آن ها به گونه اي طراحي شده اند که يکپارچگي ساختمان را از طريق تحمل نيروهاي اصلي گرمايي که بيش تر با مقاومت ساختمان سرو کار دارد تا با تغيير شکل، تأمين کند.
بخشي از ديوارها که محل تقاطع دو ديوار يا نزديک به آن مي باشد، سطوحي که به دليل ميزان بازشوهاي زياد به نظر ضعيف مي رسند و اتصالات صلب ميان المان هاي افقي (خصوصاً بتن يا سقف هاي سخت ديگر) و ديوارهاي جرم دار، به اثرات تغيير دما حساسيت بيش تري دارند. در همه ي اين موارد و موارد مشابه با آن،بايد درزهاي انبساط يا المان هاي بسيار قوي ديگر که بتوانند به خوبي در مقابل تمايل به تغيير شکل مقاومت کنند بدون اين که تسليم شوند، در نظر گرفته شوند. نيروهايي که در اين شرايط توليد مي شوند، از طريق تحليل نيروهايي که منجر به تغيير شکل الاستيکي که قابل مقايسه با تغيير شکل هاي يک سازه اي مهار شده بر اثر تغيير دما باشد، قابل استخراج هستند.
پس اين نيروها مي توانند با فرمول بسيار ابتدايي زير محاسبه شوند:
F= نيروي محوري که در يک عضو مهار شده در برابر تغييرات مربوط به تغيير دما ايجاد مي شود.
= ضريب انبساط گرمايي
E= مدول الاستيسيته
A= مساحت سطح مقطع
t= تغييرات دما
اگر عضو کاملاً مهار شود، F بيش ترين مقداري را که در يک عضو مي تواند توليد شود، خواهد داشت و اگر کاملاً در برابر انبساط آزاد باشد، F برابر صفر خوادهد بود. در سازه هاي واقعي، شرايط کاملاً مهار شده و کاملاً آزاد غيرقابل دسترسي مي باشد. از لحاظ فيزيکي، مساله مي تواند به دو حالت مختلف روي هم گذاري شود:
تغييرات دما مي تواند باعث يک تغيير طول کلي و
شود که از فرمول زير محاسبه مي شود:
در اين جاL طولي از عضو است که تحت تاثير دما قرار گرفته است. نيروهايي که در برابر تغيير طول مقاومت مي کنند، تغييري در طول
ايجاد مي کند که در جهت مخالف
مي باشد.
از قانون هوک قابل محاسبه است:
تغيير خالص طول به صورت زير خواهد بود:
پس اگر
(مثلاً اگر
صفر باشد يا تغييرات مهار نشده باشد)،
، F=0 و اگر
(تغييرات کاملاً مهار شده يا
خواهد بود.
در همه ي موقعيت هاي واقعي، F عددي ميان o و
مي باشد.
اگر
در جايي که
آن گاه:
در تفسير اين عبارت، بيان شده است که اگر
درصدي از تغيير طول مهار نشده اي باشد که عضو تحمل مي کند، نيروي مهار کننده ي مکمل اين درصد
ضرب در نيروي مهار کامل
مي باشد.
پس، طراح بايد ابتدا درصدي از تغيير شکل را
که سازه مي تواند بدون کمبودي در عملکرد تحمل کند، ارزيابي کند و سپس براي تحمل نيروهاي
وراي نيازهاي قراردادي طراحي، مقاومتي اضافي در اعضاي تحت تاثير در نظر بگيرد. اگر اين مساله در چهارچوب ابعاد منطقي يا هزينه ها قابل اجرا نباشد، طراح بايد جايگزين هاي زير را جهت اصلاح طرح در نظر بگيرد:
1- اتخاذ اتصالات مناسب در ميان اجزاي سازه اي، نيمه سازه اي و غير سازه اي، به گونه اي که گستره ي بزرگ تري از تغيير شکل ها بدون کاهش کارآيي ساختمان مجاز باشد.
2- ايجاد يک درز انبساط (درز جداساز يا درز انقطاع نيز ناميده مي شود) در قاب سازه اي که موجب کاهش طول موثر(L) و در نتيجه، کاهش پارامتر اوليه
مي گردد.
در حالي که مطالب بالا روش هاي گسترده و منطقي براي بررسي و طراحي مي باشند، يکي از تفاسير آن ها کاملاً روشن نيست و توجه ويژه اي را طلب مي کند و آن، اين است که اگرچه يک سازه ي مخصوص ممکن است امکان تحمل نامحدود طول (که مربوط به
است) را داشته باشد، طراح بايد ميزان تغيير طولي را که در حيطه ي جزئيات فيزيکي سازه قابل دستيابي است، ارزيابي کند.
راهنمايي هاي نهايي
راهنمايي هاي زير براي طراحي ومکان يابي درزهاي انبساط توصيه مي شوند:
1- درزهاي انبساط بايد در همه ي ارتفاع ساختمان ادامه يابند (از بالاي پايه فونداسيون تا درون سقف) (يا ديوارهاي حائل). دو ساختمان جدا از هم ولي همساز مي توانند در پايه ها مشترک باشند.
2- حد بالاي فاصله ي درز افقي (UB) در ساختمان هاي داراي قاب تير و ستون، بايد از رابطه ي زير محاسبه گردد:
در اين جا
بر حسب درجه ي فارنهايت وl برابر طول موثر مي باشد. L را از شکل (3) مي توان به دست آورد.
(a) قطعات ساختمان با سختي متقارن
(b) يک قطعه با سختي نامتقارن و سختي بيش تر در انتهاي دور نسبت به درز
(c) يک قطعه با سختي نامتقارن و سختي بيش تر در انتهاي نزديک نسبت به درز
3- براي در نظر گرفتن مسائل ساخت و ساز و انقباض انبساط درزگيرها، عرض درز انبساط(W)، بر حسب اينچ بايد به صورت زير محاسبه گردد:
در اينجاUB از معادله ي شماره ي (5) محاسبه مي گردد و مقادير
عبارت است از:
0/2 براي ساختمان هاي گرمازدايي شده (unheated)
7/1 براي ساختمان هاي گرم شده و بدون تهويه ي هوا
4/1 براي ساختمان هاي گرم شده و داراي تهويه ي هوا
4- براي ساختمان هايي که داراي ديوارهاي حمال خارجي با مصالح بنايي رس مي باشند، حداکثر فاصله ي درزها بايد به 60 متر محدود گردد و عرض حداقل مورد نياز براي درزها (W) از عبارت زير محاسبه مي گردد:
و L همان گونه که در معادلات (6) و (7) تعيين شده اند، استفاده مي گردند.
5- عرض حداقل درزها در هيچ حالتي نبايد کم تر از 1 اينچ در نظر گرفته شود و اگر از 2 اينچ بيش تر باشد، بايد راهکارهايي در مورد مواد مصرفي و روش هاي اجراي درز انديشيده شود که خود درز در هنگام حرکات اصلي در محل درز، تحمل تنش ها را داشته باشد (راهکارهاي ديگري نيز بايد به جزئيات سازه اي و معماري ساختمان اعمال گردد تا از تحمل ساختمان نسبت به تغيير شکل هاي اصلي بدون اين که خدمت رساني آن تحت تاثير قرار گيرد، اطمينان حاصل شود).
6- طراحي درزهاي انبساط بايد به گونه اي صورت گيرد که حرکت اجزاي ساختماني مجاور نسبت به هم به راحتي صورت گيرد و در عين حال، آب يا گرد و غبار وارد نشود و امکان بازرسي و تعمير آسان نيز وجود داشته باشد. عرض درزهاي انبساط بايد مقادير بيش تر از پتانسيل تغيير طول باشد تا از بسته شدن کامل درز جلوگيري شود و در ضمن، مسائل سازه اي و طبيعت مواد پُر کننده نيز در نظر گرفته شود.
نتيجه گيري
براي تعيين نياز ساختمان به درز انبساط دو روش تجربي و تحليلي در دست است؛ روش تجربي حداکثر طول ساختمان را که بدون درز انبساط قابل اجراست، 600 فوت اعلام
مي دارد و اين طول را براي مقادير نسبتاً کوچک تغييرات دما
مجاز مي شمارد. روش تحليلي که براي ساختمان هاي با شکل يا الگوهاي تنش-کرنش پيچيده به کار مي رود، با به کارگيري ضرايبي مانندC و با استفاده از روش استاتيکي و معهادله ي ساده ي
امکان به دست آوردن طول حداکثر ساختمان را که بدون درز انبساط قابل اجراست، به طراح مي دهد و همچنين، براي طراحي ساختمان با مقدار مشخصي تغيير طول، راهکارهايي ارائه مي کند. درزهاي انبساط که لازم است حداقل 1 اينچ عرض داشته باشند، مي بايد به گونه اي طراحي گردند که با حفظ کارآمدي و سرويس دهي ساختمان، امکان حرکت اجزاي ساختمان را فراهم آورند و در عين حال با انديشيدن تمهيدات ويژه، طراحي بايد از پر شدن درز جلوگيري کند، تا کارآيي درز تحت تاثير قرار نگيرد.
پي‌نوشت‌ها:
1- کارشناس ارشد سازه
2- کارشناس عمران
* مقادير C کم تر از واحد بر فرض اين که سيستم هاي کنترل محيط در ساختمان ها به طور ممتد فعال باشند استوار است پس، در صورتي که پيش بيني شود، دستگاه هاي کنترل محيط در فواصل منظمي براي يک دوره ي زماني (2 روز يا بيش تر) خاموش مي گردند، مقادير کم ترC قابل استفاده نيستند. هرگونه انحراف از اين مقادير بايد از لحاظ عددي ثابت گردد.
منابع
Expansion joist in building, Technical Report No.65
ماهنامه فني-تخصصي دانش نما 181-182.